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原文传递局部锚索破断下悬浮隧道动力响应与渐进性失效现象研究

论文题名：	局部锚索破断下悬浮隧道动力响应与渐进性失效现象研究
关键词：	悬浮隧道;锚索破断;渐进性失效;数值模拟;物理试验
摘要：	悬浮隧道（Submergedfloatingtunnel，简称SFT）作为一种能跨越宽阔深水并且环境适应能力强的新型交通构筑物，SFT有着与常规的交通结构形式无法比拟的巨大优势，例如对原有海洋环境影响较小、力学指标（管体弯矩、扭矩、锚索缆力等）和单位经济成本不会随着跨越海峡长度的增大而有显著的改变等。但由于其结构形式的特殊性与新颖性，目前对于其安全性与稳定性缺乏足够的认识，在工程实践上也还存在很多问题，造成这一构想一直未能成为现实。在波流往复载荷、地震、腐蚀、磨损、船舶或潜艇撞击、锚基础失效等因素作用下，容易出现锚索截面损失、承载能力下降、甚至破断等情况。锚索破断事件一旦发生，将不可避免地使得SFT的动力响应发生剧烈变化，并进而引起应力重分布，甚至可能导致整体结构的渐进性失效。为了避免由于锚索破断而导致的工程灾害，本研究针对锚索破断情况下SFT的水动力行为和渐进性失效现象进行了一系列数值模拟和试验研究。通过对锚索破断行为和连续倒塌现象进行模拟，分析了不同波流参数、浮重比、断缆方式、断缆位置等因素对SFT整体动力响应的影响，力图为实际的工程设计提供科学参考依据。主要研究成果如下所示：　　（1）采用有限元分析软件ANSYS/AQWA建立SFT数值模型，并基于ANSYS/AQWA中的生死单元功能建立SFT锚索破断及渐进性失效现象的模拟方法，通过分析不同波流参数及断缆方式展开了SFT发生锚索破断及渐进性失效时动力响应行为研究。结果表明：SFT锚索破断后，将会对剩余锚索缆力产生冲击效应，所引起的缆力瞬态幅值随着与破断位置距离的增加而逐步递减，且断缆同侧锚索的缆力变化幅值明显大于对侧锚索；由于SFT为有限刚度的柔性体系，管体的运动具有一定顺应性，在不同波流环境中，锚索破断所引起的横荡、纵荡和横摇瞬态效应并不明显；规则波、均匀流与锚索破断作用引起的SFT动力响应分别具有不同特征，即：规则波主要引起结构的周期运动，均匀流主要引起结构的大幅偏移与低频运动，锚索破断主要引起结构产生冲击效应与高频振动。　　（2）提出了一种专门设计断缆触发装置用以模拟锚索破断事件和SFT渐进性失效过程，并可以通过时控法与力控法有效地实现对锚索破断触发条件的控制；同时基于数值模拟与模型试验结果建立了SFT边界约束的数值纽带仿真方法，用以获取试验模型边界约束的参数值，结果表明：自由边界模型的响应结果整体上略大于约束边界模型，但两者曲线的变化规律大体一致，为了简化后面的试验结果，可通过对自由边界模型试验的结果对波流激励下SFT的水动力学行为进行规律性探索。　　（3）基于物理模型试验结果，分析了不同波流参数、浮重比、断缆方式、断缆位置等因素对SFT整体动力响应的影响，结果表明：SFT的响应变化评估、瞬态效应、受力重分布和冲击效应是确定SFT发生渐进性失效的关键；由于锚索破断的复杂组合效果和锚索破断的冲击效应，规则波和均匀流联合作用时，SFT管体横荡运动幅值急剧增加，运动曲线变得不稳定且不规律，在波流联合作用时，管体的运动幅度明显地大于其他两个加载工况的总和，这表明波-流-结构耦合效应的考虑对于SFT的锚索破坏模拟及动力响应研究是十分重要的；发生渐进性失效后，管体运动迹线迅速发散并剧烈变化，显示出更多随机特性，因此，有必要对SFT发生渐进性失效时的动力响应展开深入研究，以建立SFT抗渐进性失效的合理评估体系。
作者：	阳帅
专业：	土木工程
导师：	巫志文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广西大学
学位年度：	2021